断路器是什么?关于断路器的详细介绍

创闻科学2020-11-23 15:49:42

断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。断路器按其使用范围分为高压断路器与低压断路器,高低压界线划分比较模糊,一般将3kV以上的称为高压电器。

断路器可用来分配电能,不频繁地启动异步电动机,对电源线路及电动机等实行保护,当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路,其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。目前,已获得了广泛的应用。

性能指标

断路器的特性主要有:额定电压Ue;额定电流In;过载保护(Ir或Irth)和短路保护(Im)的脱扣电流整定范围;额定短路分断电流(工业用断路器Icu;家用断路器Icn)等。

1.额定工作电压(Ue):这是断路器在正常(不间断的)的情况下工作的电压。

2.额定电流(In):这是配有专门的过电流脱扣继电器的断路器在制造厂家规定的环境温度下所能无限承受的最大电流值,不会超过电流承受部件规定的温度限值。

3.短路继电器脱扣电流整定值(Im):短路脱扣继电器(瞬时或短延时)用于高故障电流值出现时,使断路器快速跳闸,其跳闸极限Im。

4.额定短路分断能力(Icu或Icn):断路器的额定短路分断电流是断路器能够分断而不被损害的最高(预期的)电流值。标准中提供的电流值为故障电流交流分量的均方根值,计算标准值时直流暂态分量(总在最坏的情况短路下出现)假定为零。工业用断路器额定值(Icu)和家用断路器额定值(Icn)通常以kA均方根值的形式给出。

5.短路分断能力(Ics):断路器的额定分断能力分为额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力两种。

主要分类

1.按极数分:有单极、二极、三极和四极等;

2.按安装方式分:有插入式、固定式和抽屉式等。

3.按接线方式分为板前接线、板后接线、插入式接线三种。

4.按过电流脱扣器型式分热动-电磁(复式)型、电磁(瞬时)型两种。

5.按断路器是否带附件分带附件和不带附件两种:附件分内部附件和外部附件:内部附件有分励脱扣器、欠电压脱扣器、辅助触头、报警触头四种, 外部附件有转动手柄操作机构、电动操作机构、联锁机构及辅助装置的接线端子排等。

高压断路器主要分为多油断路器、少油断路器、六氟化硫断路器、真空断路器、压缩空气断路器等。它们的特点如下:

(1)多油断路器:

实现简单、价格便宜,但由于用油量大、体积大、检修工作量大且易发生爆炸和火灾现象。多油式断路器是以绝缘油为灭弧介质及主要绝缘介质的高压断路器,其结构简单,工艺要求低,但体积大,用钢材和绝缘油都比较多。

(2)少油断路器:

用油少,油箱结构小而坚固,具有节省材料、防爆防火等特点。少油断路器使用安全,使配电装置大大简化,体积小,便于运输。少油断路器结构简单,使用历史长,运行经验丰富,目前在电力系统中仍处于主导地位,我国生产的20kV以下的少油断路器为屋内式,35kV及以上为屋外式。

(3)SF6断路器:

电气性能好,断口电压较高。设备的操作维护和检修都很方便,检修周期长,且开断性能好,占地面积小,特别是SF6全封闭组合电器可大大减少变电所的占地面积。

一般来说,由于SF6绝缘介质本身的优良性能,使得SF6断路器获得众多优良特性。

断口电压高。220kV SF6断路器只需要单个断口,因而结构简单,制造、安装、调试、运行方便;

允许断路次数多,检修周期长;

开断性能良好,SF6断路器开断电流大,灭弧时间短,无严重的截流现象,而且开断容性电流时不产生重燃;

不易着火,运行更安全;

占地少;

价格高。

(4)真空断路器:

以真空作为绝缘和灭弧介质,体积小,重量轻,但对于灭弧室工艺和材料的要求高可连续多次操作,开断性能好,动作时间短,且运行维护简单,可靠性高,适用于配电系统操作多的特点,在35kV及以下系统得到广泛应用。

(5)空气断路器:

空气断路器也叫压缩空气断路器。利用预先储存的压缩空气来灭弧。压缩空气不仅作为灭弧和绝缘介质,而且还作为传动的动力。

空气断路器短路能力大,动作时间快,尺寸小,重量轻,无火灾危险,但结构复杂,价格贵,需要装设压缩空气系统等,主要用于110kV及以上对电气参数和断路时间有较高要求的系统中,以及大型发电机出口需要很大额定电流与开断电路的场合。在我国,通常用于110kV及以上的大容量电力系统中,目前已基本上被SF6断路器取代。

(6)SF6全封闭组合电器(简称GIS)

它是将变电站中除变压器以外的一次设备,包括断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线、进出线套管或电缆终端,按系统布置进行优化设计并有机地组合成一整体。其主要优点是占地面积小,占用空间少,运行可靠性高,检修周期长,不受外界环境条件的影响,抗震能力强等。主要缺点是价格昂贵。目前已得到越来越多的应用,主要用于110~500kV系统。

基本组成

内部附件:

(1)辅助触头:与断路器主电路分、合机构机械上连动的触头,主要用于断路器分、合状态的显示,接在断路器的控制电路中通过断路器的分合,对其相关电器实施控制或联锁。例如向信号灯、继电器等输出信号。塑壳断路器壳架等级额定电流100A为单断点转换触头,225A及以上为桥式触头结构,约定发热电流为3A;壳架等级额定电流400A及以上可装两常开、两常闭,约定发热电流为6A。操作性能次数与断路器的操作性能总次数相同。

(2)报警触头:用于断路器事故的报警触头,且此触头只有当断路器脱扣分断后才动作,主要用于断路器的负载出现过载短路或欠电压等故障时而自由脱扣,报警触头从原来的常开位置转换成闭合位置,接通辅助线路中的指示灯或电铃、蜂鸣器等,显示或提醒断路器的故障脱扣状态。由于断路器发生因负载故障而自由脱扣的机率不太多,因而报警触头的寿命是断路器寿命的1/10。报警触头的工作电流一般不会超过1A。

(3)分励脱扣器:分励脱扣器是一种用电压源激励的脱扣器,它的电压与主电路电压无关。分励脱扣器是一种远距离操纵分闸的附件。当电源电压等于额定控制电源电压的70%-110%之间的任一电压时,就能可靠性的分断断路器。分励脱扣器是短时工作制,线圈通电时间一般不能超过1S,否则线就会被烧毁。塑壳断路器为防止线圈烧毁,在分励脱扣线圈串联一个微动开关,当分励脱扣器通过衔铁吸合,微动开关从常闭状态转换成常开,由于分励脱扣器电源的控制线路被切断,即使人为的按住按钮,分励线圈始终不会再通电这就避免了线圈烧损情况的产生。当断路器再扣合闸后,微动开关重新处于常闭位置。

(4)欠电压脱扣器:欠电压脱扣器是在它的端电压降至某一规定范围时,使断路器有延时或无延时断开的一种脱扣器,当电源电压下降(甚至缓慢下降)到额定工作电压的70%至35%范围内,欠电压脱扣器应运作,欠电压脱扣器在电源电压等于脱扣器额定工作电压的35%时,欠电压脱扣器应能防止断路器闭合;电源电压等于或大于85%欠电压脱扣器的额定工作电压时,在热态条件下,应能保证断路器可靠闭合。因此,当受保护电路中电源电压发生一定的电压降时,能自动断开断路器切断电源,使该断路器以下的负载电器或电气设备免受欠电压的损坏。使用时,欠电压脱扣器线圈接在断路器电源侧,欠电压脱扣器通电后,断路器才能合闸。外部附件:

(1)电动操作机构:这是一种是用于远距离自动分闸和合闸断路器的一种附件,电动操作机构有电动机操作机构和电磁铁操作机构两种,电动机操作机构为塑壳式断路器壳架等级额定电流400A及以上断路器,电磁铁操作机构适用于塑壳断路器壳架等级额定电流225A及以下断路器,无论是电磁铁或电动机,它们的吸合和转动方向都是相同,仅由电动操作机构内部的凸轮的位置来达到合、分,断路器在用电动机构操作时,在额定控制电压的85%-110%之间的任一电压下,应能保证断路器可靠闭合。

(2)转动操作手柄:适用于塑壳断路器,在断路器的盖上装转动操作手柄的机构,手柄的转轴装在它的机构配合孔内,转轴的另一头穿过抽屉柜的门孔,旋转手柄的把手装在成套装置的门上面所露出的转轴头,把手的圆形或方形座用螺钉固定的门上,这样的安装能使操作者在门外通过手柄的把手顺时针或逆时针转动,来确保断路器的合闸或分闸。同时转动手柄能保证断路器处于合闸时,柜门不能开启;只有转动手柄处于分闸或再扣,开关板的门才能打开。在紧急情况下,断路器处于"合闸"而需要打开门板时,可按动转动手柄座边上的红色释放按钮。

加长手柄:是一种外部加长手柄,直接装于断路器的手柄上,一般用于600A及以上的大容量断路器上,进行手动分合闸操作。

(3)手柄闭锁装置:是在手柄框上装设卡件,手柄上打孔然后用挂锁锁起来。主要用于断路器处于合闸。

工作状态时,不容许其他人分闸而引起停电事故,或断路器负载侧电路需要维修或不允许通电时,以防被人误将断路器合闸。

工作原理

1.当短路时,大电流(一般10至12倍)产生的磁场克服反力弹簧,脱扣器拉动操作机构动作,开关瞬时跳闸。

2.当过载时,电流变大,发热量加剧,双金属片变形到一定程度推动机构动作,从而使得开关跳闸;电流越大,动作时间越短。

3.有电子型的,使用互感器采集各相电流大小,与设定值比较,当电流异常时微处理器发出信号,使电子脱扣器带动操作机构动作。

工作环境要求

(1)周围空气温度:周围空气温度上限40℃;○周围空气温度下限零下5℃;周围空气温度24h的平均值不超过35℃。

(2)海拔:安装地点的海拔不超过2000m。

(3)大气条件:大气相对湿度在周围空气温度为+40℃时不超过50%;在较底温度下可以有较高的相对湿度;最湿月的月平均最大相对湿度为90%,同时该月的月平均最低温度+25℃,并考虑到因温度变化发生在产品表面上的凝露。

(4)污染等级:污染等级为3级。

(5)控制回路:

1.应能监视控制回路保护装置及其跳、合闸回路的完好性,以保证断路器的正常工作;

2.应能指示断路器正常合闸和分闸的位置状态,并在自动合闸和自动跳闸时有明显的指示信号;

3.合闸和跳闸完成后,应能使命令脉冲解除,即能切断合闸或跳闸的电源;

4.在无机械防跳装置时,应加装电气防跳装置;

5.断路器的事故跳闸信号回路,应按“不对应原理”接线;

6.对有可能出现不正常工作状态或故障的设备,应装设预告信号;

7.弹簧操作机构、手动操作机构的电源可为直流或交流,电磁操作机构的电源要求用直流。

故障和维修

在电气系统中,故障的原因有很多种。在断路器发生故障的情况下,必须及时进行维护和检查,并且必须首次消除故障,以避免断路器故障延长。

(1)油泵电机起停微动开关KPI故障,发生着这种故障的类型大致有两种:首先是内部触点损坏不通,其次是开关主动杆粘连不复位,针对这两种情况可分别给予更换或处理,必须检查油泵最终是否在标准数值停止,如何不行重新调整至合格。

(2)因液压、油泵电机等系统造成KH故障,针对于这种故障首先要检查液压系统有无渗透,油泵和电机有无故障,在进行一定的判断之后进行处理,值得注意的是,KH电流是否合适。

(3)油泵机闭锁继电器KL故障,可以临时拆除一端,待打压超过0时恢复就可以。

市场和发展

目前国内市场低压、中压断路器以配备弹簧操作机构为主导;高等级电压断路器仍旧以气动操作机构及液压操作机构使用为主,部分为弹簧操作机构。随着未来智能电网技术的发展,高灵敏性、高效率、可靠性、免维护以及智能化等特性为操作机构匹配第四代智能化断路器的必然发展方向,以保障电网安全可靠高效运行。下表为断路器的发展历程:

项目 开发年代 主要产品 技术水平 主要特征
第一代 1960-1970 DW10、DZ10 模仿苏联产品进而开发的第一代低压断路器 结构尺寸大、材料消耗多、品种规格不齐全
第二代 1970-1980 DW15、DZ20 国内企业更新换代自主研发的低压断路器 技术水平明显提高、保护特性完善、产品体积小
第三代 1980-2005 DW45、CM1、S、SA 国内企业自主研发的智能化产品、少数优势企业掌握核心科技 性能优良、工作可靠、体积小、具有电子化、智能化和组合化的特点
第四代 2005-至今 VW60、VM60 国内企业自行开发的智能化产品,已经达到和外国水平相同 在第三代产品上优化、网络化、可通信是主要特征